Redes Inteligentes Sustentables (Macro/Micro): Retos y Oportunidades, Caracas 10-13 de Octubre de...
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XI Congreso de Instalaciones Eléctricas, Caracas, Venezuela 13-16 Octubre 2010
Redes Inteligentes Sustentables (Macro/Micro): Retos y Oportunidades
Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhDThe University of Manchester
IX Congreso de Instalaciones Electricas
Caracas, Venezuela, 13 al 16 Octubre 2010
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XI Congreso de Instalaciones Eléctricas, Caracas, Venezuela 13-16 Octubre 2010
Agenda• Introducción
• Generación Distribuida
• Conceptos afines: Micro-Macro red
• Que es una Smart Grid?
• Concepto de Smart Grid
• Flujo de información e interacción
• Infraestructura de medición avanzada
• Visión de Sistema de Potencia
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Introducción• Uno de los términos mas usados en la
empresa eléctrica en las ultimas décadases “DESREGULACION” y ha causadoprofundos cambios en la forma en que lossistemas de potencia son disenado yoperados.
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• El crecimiento del mercado eléctrico
• El desarrollo del mercado financiero
• El acelerado progreso técnico;
• Proceso de desregulación – Competencia en la generación
Costos de Planta de Generación Térmica versus Potencia (1930-1990)
Eficiencia versus Potencia del Generador para Diferentes tipos de tecnologías
Cos
tos
[US
$/M
W]
Efi
cien
cia
[%]
Introducción
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Introducción• El modelo centralizado y vertical basado en
componentes electromecánicos, seránsustituidos por modelo distribuidos ydesagregados con componentesdigitalizados.
Flu
jo d
e E
nerg
ía Generación
Transmisión
Distribución
Consumidores
Distribución
Generación Propia
MicroturbinaEolicoCelda de Combustible
Fotovoltaico
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Introducción• El mix de generación, los sistemas de
control y medición sufrirán cambios eimpactos con este nuevo modelo.
• Se romperán los paradigmas consideradosen sistemas de potencia y el todo el sectoreléctrico
• Este es el contexto en el cual las MacG-MicG-DG-DER-RES y las SMART GRIDSestán siendo desarrolladas.
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Concepto de GD• No existe una definición que pueda ser
universalmente aceptada.
• Un gran número de términos y definicionesestablecidas en la literatura, son usados paradesignar que la generación no es centralizada.
– Anglo-sajones: “embedded generation”
– Norteamérica: “dispersed generation”
– Europa y parte de Asia: “decentralised generation”.
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Antecedentes de la Definición• Electric Power Research Institute:
• Gas Research Institute:
• Preston and Rastler [3]:
• Cardell [6]:
Generacion ‘desde unos pocos kW hasta 50 MW
… tipicamente entre 25 kW y 25 MW
…en el rango desde pocos kW hasta mas de 100 MW
…generacion entre 500 kW y 1 MW[3] D. Sharma, R. Bartels, Distributed electricity generation in competitive energy markets: a case study in Australia, in: The Energy Journal Special issue: Distributed Resources: Toward aNew Paradigm of the Electricity Business, The International Association for Energy Economics, Clevland, Ohio, USA, 1998, pp. 17–40.[6] J. Cardell, R. Tabors, Operation and control in a competitive market: distributed generation in a restructured industry, in: The Energy Journal Special Issue: Distributed Resources: Toward a New Paradigm of the Electricity Business, The International Association for Energy Economics, Clevland, Ohio, USA, 1998, pp. 111–135.
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• El grupo de trabajo de International Council onLarge Electric Systems (CIGRE) ha puesto sudefinición de DG considerándola como [36]:
– No es centralmente planificado.
– No es centralmente despachado.
– Usualmente conectado a la red dedistribución.
– Más pequeño de 50 a 100 MW.
http://www.cigre.org
[36] CIGRE, Impact of increasing contribution of dispersed generation on the power system; CIGRE Study Committee no 37, Final Report, September 1998.
Antecedentes de la Definición
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• Otra definición de GD es la adoptada porla Institute of Electrical and ElectronicEngineer (IEEE).
“ La generación de electricidad por empresassuficientemente pequeñas comparada plantasde generación central, las cuales permiten lainterconexión a un punto muy cercano en unpunto del sistema de potencia. Es unsubconjunto del sistema de distribución”.
http://www.ieee.org
Antecedentes de la Definición
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Concepto de GD• Generación distribuida es considerada como una
fuente de energía eléctrica conectada al sistemade potencia, en un punto muy cercano o en laubicación del consumidor, ya sea del lado deéste o de la red, que es suficientemente pequeñocomparado con las plantas centralizadas.
GD GD
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Concepto de GD• La definición NO establece la potencia
nominal de la fuente de generaciónClase Tamaño Relativo
Micro ~1 Watt < 5 kW
Pequeña 5kW < 5 MW
Mediana 5MW < 50MW
Gran 50MW < ~300MW
400 W 5000 W 500 kW 1.5 MW
100 MW
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Tecnologías de GD• Diesel Estándar/ Motor a Gas
• Fotovoltaico
• Turbinas de viento
• Micro-turbine
• Fuel Cell
• Almacenamiento en baterías
• Biomasa
• Geotérmica, Mareomotriz, …
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Tecnologías de GDTecnología
Tamaño típico disponible por modulo
Turbinas a Gas de Ciclo Combinado 35–400 MW
Motores de Combustión Interna 5kW–10 MW
Turbinas de Combustión 1–250 MW
Micro-Turbinas 35 kW–1MW
Renovables
Pequeñas Hidros 1–100 MW
Micro Hidros 25 kW–1MW
Turbinas de Eólicas 200 Watt–3MW
Arreglos Fotovoltaicos 20 Watt–100 kW
Solar térmica, receptor central 1–10 MW
Solar térmica, sistema Lutz 10–80 MW
Biomasas, por ejemplo, basados en gasificación 100 kW–20 MW
Celda de combustible, acido fosfórico 200 kW–2MW
Celda de combustible, carbonato fundido 250 kW–2MW
Celda de combustible, intercambio de protones 1 kW–250 kW
Celda de combustible, oxido sólido 250 kW–5MW
Geotérmico 5–100 MW
Energía del océano 100 kW–1MW
Motor Stirling 2–10 kW
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Tecnologías de GD
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Tecnologías de GD• Diesel Estándar/ Motor a Gas
• Fotovoltaico
• Turbinas de viento
• Micro-turbine
• Fuel Cell
• Almacenamiento en baterías
• Biomasa
• Geotérmica, Mareomotriz, …
La intermitencia y la variabilidad de estas fuentes puede causar problemas
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Ejemplo: Aerogeneradores
0 10 20 30 40 50 60
8
10
12
14
16
Tiempo [seg]
Vel
ocid
ad d
el V
ient
o [m
/s]
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
Vol
taje
[p.
u]
0 5 10 15 20 25 30 350.98
0.985
0.99
0.995
1
1.005
1.01
1.015
Tiempo [seg]
Pot
enci
a A
ctiv
a [p
.u]
0.997
0.9975
0.998
0.9985
0.999
0.9995
1
1.0005
Vol
taje
en
Ter
min
ales
[p.
u]
0 5 10 15 20 25 30 350.975
0.98
0.985
0.99
0.995
1
1.005
Tiempo [seg]
Tor
que
y P
oten
cia
[p.u
]
Recurso primario gobierna la producción y el comportamiento de las variables
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Tecnologías de GD• Diesel Estándar/ Motor a Gas
• Fotovoltaico
• Turbinas de viento
• Micro-turbine
• Fuel Cell
• Almacenamiento en baterías
• Biomasa
• Geotérmica, Mareomotriz, …
El comportamiendo dinamico exhibe retos antes cambios bruscos en la demanda
Require se complementado con batterias o flywheel storage para mejorar la respuesta
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Ejemplo: Micro Turbina un Solo Eje
0.99
0.995
1
1.005
1.01
Vol
taje
[p.
u]
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
1.15
1.2
Vel
ocid
ad d
el R
otor
[p.
u]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Tiempo [seg]
Pot
enci
a A
ctiv
a [p
.u]
0.9
0.95
1
1.05
Vol
taje
[p.
u]
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Pot
enci
a [p
.u]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Tiempo [p.u]
Pot
enci
a [p
.u]
Respuesta sumamente rápida
Transitorios de voltaje debido a ausencia de AVRen el GIP
Sobreimpulso minúsculo en la velocidad en aumentos de carga
Respuesta rápida y la potencia
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0.998
0.999
1
1.001
1.002
Vol
taje
en
Ter
min
ales
[p.
u.]
40%30%20%10%
50%P =
0.4
0.5
0.6
0.7
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0.9
1
1.1
Cor
rien
te e
n T
erm
inal
es [
p.u.
] 50%
40%
30%
20%
10%
P =
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Tiempo [seg]
Pot
enci
a A
ctiv
a en
el
Inve
rsor
[p.
u.]
40%
30%
20%
10%
50%P =
0.985
0.99
0.995
1
1.005
Vol
taje
en
Ter
min
ales
[p.
u.]
40%
30%
20%10%
50%P =
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Cor
rien
te e
n T
erm
inal
es [
p.u.
]
40%
30%
20%
10%
50%P =
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200.4
0.5
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0.7
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0.9
1
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Tiempo [seg]
Pot
enci
a A
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a en
el
Inve
rsor
[p.
u.]
40%
30%
20%
10%
50%P =
Voltaje mas afectado
Respuesta rápida
Sin sobre impulso en la corriente
Respuesta muy lenta en la potencia
Ejemplo: Fuel Cell
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Tecnologías de GD• Retos a ser enfrentados:
– Costos de operación y mantenimiento
– La fiabilidad a largo plazo de las Unidades
– Problemas de interconexión
– Establecimiento y funcionamiento en Isla
– Estrategias de flujo de potencia activa y reactiva
Inherente a la tecnología
Inherente a la operación y control
Oportunidades para Smart Grid!
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Recursos Distribuido• Recursos del lado de suministro y de la
demanda que pueden ser empleadas a lo largode un sistema de distribución para cumplir conlas necesidades de confiabilidad del consumidorservido y su sistema.
• Recursos distribuidos pueden ser instalados yasea del lado de la empresa eléctrica o delconsumidor
Generación distribuida + recursos del lado de la demanda
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Recursos Distribuidos
Recursos del lado de la demanda:• Gerencia de la demanda: para mover el
pico de la demanda.
• Opciones de eficiencia energética: reducirel pico de la demanda.
• NO son basados en generación localdentro del sistema del consumidos, peroreducen la demanda.
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Potencia Distribuida
• Es la generación distribuida, pero a la cual se leagregan las tecnologías de almacenamiento deenergía.
• Se emplean volantes (flywheel), grandes celdasde combustible regenerativas, sistemas dealmacenamiento por compresión de aire (SMES)y sistemas de bombeo hidráulico.
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Potencia Distribuida• Es menos conocido que los términos generación
distribuida o recursos distribuidos,probablemente debido a que es incluso másdifícil de definir claramente.
• La capacidad distribuida incluye todos losaspectos de recursos distribuidos, además de losrequerimientos de capacidad detransmisión/distribución.
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Potencia Distribuida• Una de las razones para instalar la GD es reducir
el pico de la demanda.
• La GD no incluye capacidad de reserva alguna
• La red de transmisión/distribución ha de sercapaz de cubrir, al menos, la misma generaciónusualmente suministrada por la GD.
• La red de transmisión/distribución serásobredimensionada y el factor de carga serápeor que sin generación distribuida.
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Potencia Distribuida
• La capacidad distribuida, ahora incluye todos losaspectos de la GD y los recursos distribuidos,además de la capacidad de reserva, por ejemplo,generadores de respaldo o gerencia de lademanda, para minimizar los requerimientos delsobredimensionamiento del sistema detransmisión/distribución.
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Micro-Mallas• El Consortium for Electric Reliability
Techology Solutions (CERTS), es elpionero en el concepto de micro-red(microgrid)
• Forma alternativa a la integración de FGDde pequeña escala en los sistemas dedistribución y al amplio sector de energíaeléctrica actual (macrogrid).
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XI Congreso de Instalaciones Eléctricas, Caracas, Venezuela 13-16 Octubre 2010
Micro-Mallas• Micro-red, asume una agregación de cargas y
micro-fuentes (microsources) operando como unsolo sistema, entregando tanto energía eléctricacomo calor.
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XI Congreso de Instalaciones Eléctricas, Caracas, Venezuela 13-16 Octubre 2010
Micro-Mallas• La característica principal de las tecnologías de fuentes
de energía distribuida, que son candidatas para serusadas en el concepto de la micro-red, es suinterconexión a través de inversores y ninguna capacidadparticular de potencia.
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Conceptos Afines a la GD
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Innovaciones en Infraestructura• Adecuación de la fuente y Economía:
– Aplicaciones de las energías renovables,
– Tecnologías de almacenamiento paramejorar la seguridad,
– Coordinación de los suministrosrenovables y almacenamiento, lasemisiones de carbono
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Innovaciones en Infraestructura• Expansión de la transmisión y seguridad:
• Planificación de expansión de lasinstalaciones de transmisión,
• Coordinación de las infraestructurasenergéticas, los superconductores, HVDC,seguridad física y cibernética, lasmediciones en toda la zona, las unidadesde gestión, PMU.
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Innovaciones en Infraestructura• Smart Grid:
• Eficiencia energética,
• Respuesta de los precios,
• Reducción de carga de punta,Automatización de la distribución,
• Nuevas tecnologías de construcción,contadores inteligentes,
• Sensores, la comunicación y las técnicasde control.
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Fuezas que mueven la Smart GridRenewableResources
Conservation &Demand response
GreenhouseGases
Operational Efficiency
Consumer satisfaction
SupplyEconomics
CapacityLimitations
DistributedResources
VariableGeneration
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Que es Smart Grid, realmente?
Nadie Sabe!
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Que es una Smart Grid?Union de dos Infra-estructuras
Infra-estructura Eléctrica (Smart)
Infra-structura de Comunicacion (Smart)
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Que es Smart Grid, realmente?
WAN
People
Smart Meters
Smart Appliances
Data concentrator
Applications server
PMU PMU
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Sistemas de potencia y Smart GridGeneración Transmisión Subestación Distribución Consumidor
Integracion de renovables Wide-Area Monitoring and Control
Substation Automation
AMI EV/PHEVIntegration
Automation
Smart grid integra infraestructura de informacion/comunicacion/potencia
DER Integration
ConditionMonitoring
AssetOptimization
WorkforceEffectiveness
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Definicion de Smart GridNational Electrical Manufacturers Associations - NEMA
• El concepto básico de Smart Grid consiste enañadir el monitoreo, análisis, control y capacidadde comunicación a la red eléctrica a fin demejorar la fiabilidad, maximizar el rendimiento,aumentar la eficiencia energética, facilitar laparticipación de los consumidores y permitir ladiversidad de generación y posibilidades dealmacenamiento.
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Definicion de Smart Grid• International Electromechanical
Commission• El Smart Grid es el concepto de modernización
de la red eléctrica.
• El Smart Grid comprende todo lo relacionado conel sistema eléctrico en cualquier punto entre losde la Generación y cualquier punto de consumo.
• También incluye los efectos de acoplamiento conotras formas de energía (almacenamientotérmico, etc ...)
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Definicion de Smart Grid• Smart Grids es básicamente el concepto
de hacer de la red eléctrica "másinteligentes"
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Alcances de la Smart Grid
System CoordinationSituation Assessment
Transmission Automation
Renewable integration
Demand Participation
Signals & Options
Smart Appliances,
PHEVs & Storage
DistributedGeneration & Storage
Energy Efficiency
System Operation
Distribution Automation
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Flujo de Potencia e Informacion
Information Flow
Power Flow
Power Flow
Information Flow
Demand Response
AMI
DG-PV
Thermal Storage
PEVUtility grade PVWind
farm
Solar farm
Smart Grid
Traditional Environment
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Interaccion y funciones
Análisis Avanzado
Automatización y IT respaldo
NIVELEMPRESA
Dispositivos sensores y controladores
Nuevos componentes de red
NIVELRED
GeneracionCentralizada Transmisión Distribución
Usuario Final
Infraestructura de Comunicación
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Respuesta de la Demanda, Conectividad y Flujo de Información
ISO & wholesale markets
Distribution System
Consumers
Demand& Supply
Retail prices
DLC ,Power Quality, Reliability
Supply
Wholesale Prices
Demand& Supply
ConstraintsAncillaryServices
Transmission System
•Day-Ahead•Real-time
•Energy•Ancillary Services•Capacity
DG
Industrial
Commercial
Residential
69 kV/132 kV
34 kV
4kV – 13 kV
600/480/240/120V
SecondaryDistribution
PrimaryDistribution
Sub transmission
ResidentialLoad
PHEV
Whole sale Markets
Transmission system
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Aplicaciones Smart Grid
Simulación en tiempo real y análisis de contingencia
Generación distribuida y fuentes alternativas de energía
Self-Healing Wide-Area Protection y Islanding
Asset Management and Monitoreo On-Line de equipos
Demand Response and Dynamic Pricing
Participacion en Mercados de Energaa
Informacion compartida – Continuamente Optimizada
Respuestas inteligentes!
Demand Response
DG-PV
PEVUtility grade PVWind
farm
Solar farm
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Gran Foto – Smart LivingCiudades Edificios,
Cases, transporte, red electrica Intelligent /
Sustainable
Portafololio regionalmente
optimizado /Mix de generacion renovable
Integracion con Macro y Micro
Grids
Normativas, Practicas,
Economica, Mercado, Negocio
Voluntad PolíticaPara cuidar y mantener las comunidades Buena Vida (smart
living)Atractivo / estética /
Ecológicamente amigo / EstableMedio ambiente
Distributed (Renewable)
Energy Sources
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Advanced Metering Infrastructure (AMI)
• Combina tres elementos
(a) Sensores inteligentesen las instalaciones del cliente,
(b) Comunicaciones de dos vías,
(c) Maestro controlador de la gestión y medición de consumo de energía por
hora
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Advanced Metering Infrastructure (AMI)
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Advanced Metering Infrastructure (AMI)
• Comunicación de dos vías empleando lasredes móviles, por satélite y las redes deradio frecuencia.– IAM revoluciona la detección de apagón
eléctrico y la restauración, proporcionandoinformación a la empresa sobre el evento.
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Advanced Metering Infrastructure (AMI)
• El controlador maestro (smart meter) utilizala información de precios por hora paraofrecer a los consumidores la ofertaperfecta con los datos de tiempo real.
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Vision de Sistema de Potencia• “El sistema de potencia perfecto garantizara la
disponibilidad absoluta y universal de la energía en lacantidad y calidad necesaria para satisfacer lasnecesidades de cada consumidor. Es un sistema quenunca falla al consumidor.”
Bob Galvin
http://en.sevenload.com/videos/trVIHJp-Bob-Galvin-on-Perfect-Power
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Gracias!
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